The present work studies the use of a two-zone computer model to simulate the operation of an internal combustion engine with spark ignition fueled with alcohol fuels and gasohol. To fit the model to the experimental data, a parameter estimation technique was used and the heat transfer correlation that could better fit the tested fuels and engine was determined. The tested fuels were: hydrous ethanol, wet ethanol (from 10% to 40% of water, by volume), n-butanol, n-butanol/ethanol blend and gasohol. In addition to the experimental tests with the engine, tests with a packed distillation column under batch process were made in order to determine the energy efficiency involved between production and use as a fuel for hydrous ethanol and wet ethanol fuels. The results showed that the two-zone model was able to predict satisfactorily the behavior of all tested fuels, accurately obtaining the engine performance parameters. In terms of energy efficiency, wet ethanol fuels have advantage over hydrous ethanol fuel, especially in the case of 30% of water by volume, where energy efficiency reaches its maximum value, considering the distillation and engine combustion processes. The n-butanol fuel was capable of act as a surrogate for both hydrous ethanol and gasohol with efficiency, leading the engine to have good performance in the tested operational conditions and appearing, due to this, as an interesting alternative of renewable fuel to be inserted in the Brazilian energy matrix. / O presente trabalho investiga o uso de um modelo computacional de duas zonas para simular o funcionamento de um motor de combustão interna com ignição por centelha abastecido com álcoois combustíveis e gasolina. Para o ajuste do modelo fez-se uso de técnica de estimação de parâmetros e determinação da correlação de transferência de calor capaz de melhor se ajustar aos combustíveis e ao motor testados. Os combustíveis utilizados foram: etanol hidratado, etanol super-hidratado (de 10% a 40% de água, em volume), n-butanol, misturas de n-butanol e etanol e gasolina e etanol. Além dos testes experimentais com motor, testes de bancada com uma coluna de destilação recheada em regime descontínuo foram realizados a fim de determinar a eficiência energética do processo de produção e queima de etanol hidratado e super-hidratado. Os resultados obtidos mostraram que o modelo de duas zonas é capaz de prever de maneira satisfatória o comportamento de todos os combustíveis testados, com determinação precisa de parâmetros de desempenho do motor. Em termos de eficiência energética, o etanol super-hidratado tem vantagem em relação ao etanol hidratado combustível, em especial quando com 30% de água em volume, onde a eficiência energética é máxima, considerados os processos de destilação e queima no motor. O n-butanol combustível usado mostrou-se capaz de substituir eficientemente tanto o etanol hidratado como a gasolina brasileira, levando o motor a ter boa performance nas condições operacionais testadas e aparecendo, dessa forma, como interessante alternativa de combustível renovável a ser inserida na matriz energética brasileira.

Depuis quelques années, les modèles 0D trouvent un regain d'intérêt auprès des motoristes. En effet, ces modèles, fournissant aisément un comportement thermodynamique du moteur, peuvent être couplés avec des outils de contrôle moteur. Néanmoins, leur précision doit être augmentée, pour répondre aux enjeux technologiques actuels. Dans les moteurs à allumage commandé, la flamme turbulente prémélangée est modélisée comme un ensemble de flammelettes cohérentes entre elles. Cette approche généraliste nécessite un traitement particulier en proche paroi, motivé par une modification de la structure de flamme due aux couches limites thermique et cinématique. Ce présent travail propose des approches de modélisations 0D de la combustion, en proche paroi et dans la zone réactionnelle de la flamme. Pour modéliser la combustion en proche paroi, la flamme est scindée en une contribution en propagation libre, et une contribution en interaction avec les parois. Chaque contribution est divisée en une zone de transport, dans laquelle l'entraînement des gaz frais est décrit, et une zone de réaction, dans laquelle la réaction de combustion est modélisée. L'ajout d'une zone de réaction en interaction avec les parois permet de modéliser un gradient de température et une réaction de combustion ralentie en proche paroi. Pour modéliser la zone réactionnelle, une discrétisation de la flamme en N zones de réaction indépendantes est proposée. Une plage de fonctionnement moteur a été simulée avec nos approches de modélisation, afin de quantifier la variabilité des paramètres de calibration. Pour ce faire, les modèles sont calibrés sur chaque point de fonctionnement, par une méthode de minimisation de l'erreur quadratique moyenne sur la loi de dégagement d'énergie. Des corrélations aisées de paramètres de calibration peuvent être établies, en fonction de paramètres moteurs. Les résultats de simulations, obtenus à partir de ces corrélations, sont satisfaisants. / Recently, the interest for zero-dimensional models has increased. Indeed, these models provide easily the engines thermodynamic behavior and can be coupled with control tools. However, their accuracy must be improved to meet the current technological challenges. In the spark ignition engines, the premixed turbulent flame is modeled as a set of coherent flamelets. This approach requires special treatment near the walls, motivated by the modifications of the flame structure due to boundary layers. The present work proposes 0D modeling of combustion near the walls and in the reaction zone of the flame. To combustion model near the walls, the flame is divided into a free propagation contribution, and an interacting contribution with the walls. Each contribution is divided into a convective zone, wherein the entrainment of fresh gas is described, and a reaction zone, wherein the combustion reaction is modeled. Adding a reaction zone near the walls allows modeling a thermal gradient and a slower combustion reaction near the walls. To model the reaction zone, a flame discretization is made into several reaction zones. An engine operating range is simulated with our models, for quantifying the calibration parameters variability. To do this, models are calibrated on each operating point, by a method of minimization of the quadratic error on the heat released rate. Linear correlations can be found, depending on engines parameters. A good agreement between experimental data and simulation results is obtained with these parameters correlations.

L'augmentation continue des charges de fonctionnement des moteurs à allumage commandé a conduit à l'apparition d'une nouvelle forme de combustion anormale à bas régime sous la forme d'un pré allumage. Dans des conditions de pression et de température extrêmes, une auto-inflammation incontrôlée du mélange carburé peut en effet se produire avant l'allumage normal à la bougie et conduire à une seconde auto-inflammation de type cliquetis donnant naissance à des oscillations de pression inacceptables même pour les moteurs les plus robustes. Cette anomalie constitue donc une véritable limite au downsizing des moteurs et à l'augmentation de leurs performances spécifiques. Cette dernière forme de combustion anormale est bien plus critique que le cliquetis car son apparition est aléatoire, le plus souvent sporadique et généralement très violente. Ces caractéristiques fondamentales expliquent que de nouveaux outils et de nouvelles méthodologies d'analyse aient dû être développés pour mieux caractériser le processus d'auto-inflammation dans ces conditions extrêmes. Des méthodes statistiques avancées ont notamment été mises au point pour quantifier de manière fiable la fréquence d'apparition du pré allumage malgré son caractère aléatoire. En parallèle, un travail expérimental important a été réalisé pour mettre au point une méthodologie de réalisation de visualisations endoscopiques permettant de mieux analyser le processus de combustion, et d'identifier de manière plus précise les zones préférentielles d'apparition du pré allumage dans la chambre de combustion. Les impacts des paramètres fondamentaux régissant l'auto-inflammation (aérodynamique interne, thermique et chimie du mélange) ont d'abord été analysés sur un monocylindre de recherche. Le processus de combustion a ainsi été détaillé et l'hypothèse d'une auto-inflammation spontanée en phase gazeuse a également pu être abordée en parallèle de l'analyse expérimentale par une approche numérique RANS. Une étude plus approfondie a ensuite montré qu'il était possible qu'un pré allumage conduise à une auto-inflammation de type détonation, ce qui explique qu'un nombre réduit d'occurrences suffise à détériorer irrémédiablement le moteur. La versatilité du monocylindre a également permis de mettre en évidence la diversité des phénomènes qui pouvaient conduire au pré allumage et d'autres hypothèses que celle d'une auto-inflammation spontanée en phase gazeuse ont ainsi pu être formulées. Celles-ci ont finalement été testées sur un multicylindre en appliquant des méthodologies d'essais et d'analyse éprouvées sur monocylindre. Les investigations tournées vers l'impact des réglages moteur ont alors notamment confirmé que les impacts du carburant sur les parois de la chambre de combustion conduisaient à la formation de films liquides dont les caractéristiques locales pouvaient être favorables à une auto-inflammation. / The continuous increase of engine loads on SI engines has provoked the apparition of a new form of abnormal combustion at low engine speed in the guise of a pre-ignition. Under extreme conditions of pressure and temperature, an uncontrolled auto-ignition of the fresh mixture can happen well before the normal ignition at the spark and lead to a knocking-like second auto-ignition and to unacceptable pressure oscillations even for modern and robust engines. This anomaly constitutes thus a strong limit to the downsizing of gasoline engines and to the increase of their specific performance. This latter abnormal combustion is far more critical than knocking combustion since its apparition is random, most often sporadic and usually very violent. These fundamental characteristics explain that new tools and methodologies had to be developed to achieve a better characterization of the auto-ignition process under such extreme conditions. Advanced statistical methods have notably been defined to obtain a reliable quantification of the pre-ignition frequency despite its randomness. A significant work has simultaneously been realized to develop an experimental methodology dedicated to endoscopic visualizations allowing a better analysis of the combustion process and a more precise identification of the preferential areas of auto-ignition inside the combustion chamber. The impacts of fundamental parameters governing auto-ignition (the mixture's charge motion, thermal and chemical evolutions) have first been analyzed thanks to a research single cylinder engine. That way, the combustion process has been detailed and the hypothesis of a spontaneous auto-ignition of the gaseous mixture has also been tackled at the same time with the help of a numerical RANS approach. Then, a deeper analysis has showed that pre-ignition could lead to a developing detonation mode during the second auto-ignition, explaining so that a reduced number of events could cause irremediable damages. Thanks to the flexibility of the single cylinder engine, it has also been shown that a wide variety of phenomena could lead to pre-ignition and it has made possible the formulation of other hypotheses than a spontaneous auto-ignition of the gaseous mixture. These ones have finally been tested on a serial multi-cylinder engine with test and analysis methodologies validated on the single cylinder engine. The investigations focused on the impacts of settings have then confirmed that the fuel impacts on the liner and on the piston lead to the formation of liquid films whose local characteristics could be favorable to auto-ignition.

In order to meet future emission norms for small carbureted SI engines, such as those used on motorcycles in India, there is a need to study mixture preparation, specifically the two-phase flow exiting the carburetor and entering the inlet manifold. A fully functional, modular experimental rig is designed and erected for performing both qualitative and quantitative flow visualization. The vibrations of the engine are minimized to reduce their effect on the flow. A special, optically accessible tube of square cross-section is added between the carburetor and the inlet manifold, to enable the visualization of flow at the exit of the carburetor. An electronic circuit to obtain a signal for the engine crank angle and convert it to a standard TTL pulse, for use on standard imaging systems to capture cycle resolved-images is also designed. The flow in the optical section is qualitatively visualized using high and low speed cameras. The resulting images and movies show two modes of fuel transport within the inlet manifold, one of which is in the form of a dense cloud of fine fuel droplets during some part of the intake stroke. The second mode is in the form of a film at all times in the cycle, along the lower surface of the inlet manifold during idling and along vertical walls under loaded conditions. Recirculation is seen on the vertical walls of the manifold during idling and under load. Finally, the thickness of the fuel film in the optical section at the exit of the carburetor is measured, using PLIF. This part of the study also reveals that there is a film on upper surface of the optical section, at all loads and speeds. This film is lesser than the resolution of measurement for low loads, and increases to 0.5 mm in the case of highest load and speed attained at full throttle. In contrast to the loaded conditions, during idling, the film occurs on the lower surface of the manifold and its thickness is highest (1 mm.). The film is also present throughout the cycle during idling and all load-speed conditions, suggesting that the mixture that goes into the engine has a significant part of fuel in liquid form.

[ES] Esta tesis doctoral se encuadra en el contexto de una creciente concienciación y preocupación en la sociedad por la contaminación y su efecto sobre la salud de las personas, así como la influencia de los gases de efecto invernadero en el cambio climático. En este sentido, el sector transporte no ha sido una excepción, y se ha legislado para regular tanto las emisiones contaminantes como las de efecto invernadero de manera cada vez más estricta, retando continuamente a las empresas del sector y fabricantes de motores a aumentar la eficiencia y limpieza de sus sistemas propulsivos. Este trabajo tiene por objetivo estudiar el impacto que tienen distintos sistemas de recirculación de gases de escape (exhaust gas recirculation o EGR) en un motor de encendido provocado, de inyección directa, sobrealimentado, con distribución variable y dentro de la tendencia del downsizing. Cabe resaltar que el motor bajo estudio es un modelo sin EGR empleado actualmente en aplicaciones de transporte por carretera de turismos utilitarios, por lo que el proyecto ha estado en todo momento ligado a la actualidad del sector, y los avances y descubrimientos de los estudios aquí presentados pueden resultar de una enorme utilidad y ser empleados en aplicaciones reales. Estos sistemas de recirculación de gases de escape pretenden aumentar la eficiencia de los motores de encendido provocado con el objetivo de reducir la desventaja que estos presentan con respecto a los motores de encendido por compresión, mientras que se mantienen los niveles de emisiones. Dicha desventaja en eficiencia radica principalmente en una menor relación de compresión del motor de encendido provocado para evitar la autoignición y en el uso del dosado estequiométrico para el correcto funcionamiento del postratamiento. / [CA] Aquesta tesi doctoral s'enquadra en el context d'una creixent conscienciació i preocupació en la societat per la contaminació i el seu efecte sobre la salut de les persones, així com la inuència dels gasos d'efecte d'hivernacle en el canvi climàtic. En aquest sentit, el transport no ha sigut una excepció, i s'ha legislat per a regular tant les emissions contaminants com les d'efecte d'hivernacle de manera cada vegada més estricta, reptant contínuament a les empreses del sector i fabricants de motors a augmentar l'eficiència dels seus sistemes propulsius. Aquest treball té per objectiu estudiar l'impacte que tenen diferents sistemes de recirculació de gasos d'escapament (exhaust gas *recirculation o EGR) en un motor d'encesa provocada, d'injecció directa, sobrealimentat, amb distribució variable i dins de la tendència del downsizing. Cal ressaltar que el motor sota estudi és un model sense EGR empleat actualment en aplicacions de transport per carretera de turismes utilitaris, per la qual cosa el projecte ha estat en tot moment lligat a l'actualitat del sector, i els avanços i descobriments dels estudis presentats poden resultar d'una enorme utilitat i ser emprats en aplicacions reals. Aquests sistemes de recirculació de gasos d'escapament pretenen augmentar l'eficiència dels motors d'encesa provocada amb l'objectiu de reduir el desavantatge que aquests presenten respecte als motors d'encesa per compressió, mantenint els nivells d'emissions. Aquest desavantatge en eficiència radica principalment en una menor relació de compressió del motor d'encesa provocada per a evitar l'autoignició i en l'ús del dosatge estequiomètric per al correcte funcionament del postractament / [EN] This PhD-Thesis is framed in the context of a growing awareness and concern in society about pollution and its effect on people's health, as well as the influence of greenhouse gases on climate change. In this sense, transportation has not been an exception, and legislation has been reated to regulate both polluting emissions and greenhouse gases in an increasingly strict manner, continually challenging companies in the sector and engine manufacturers to increase efficiency and cleanliness of their propulsive systems. The objective of this work is to study the impact that different exhaust gas recirculation (EGR) systems have on a spark ignition, direct injection, turbocharged engine, with a variable timing and within the downsizing trend. It should be noted that the engine under study is mass-produced without EGR and is currently used in passenger utility cars, so the project has been always linked to current events in the sector, and the advances and discoveries of the studies presented here can be useful in real applications. These exhaust gas recirculation systems aim to increase the efficiency of spark ignition engines, reducing the disadvantage they present with respect to compression ignition engines, while maintaining emission levels. Said disadvantage in efficiency lies mainly in a lower compression ratio in order to avoid autoignition and in the use of stoichiometric operation for the optimal operation of the aftertreatment system. / Pitarch Berná, R. (2023). Study of different Exhaust Gas Recirculation Configurations and their Impact on Turbocharged Spark Ignition Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198094

[ES] El aumento global de las emisiones de gases de efecto invernadero desde el inicio de la Revolución Industrial se ha convertido en un grave peligro para la vida humana. Además de la generación de energía y la industria, el transporte, con el aumento del número total de vehículos en las últimas décadas, es uno de los principales responsables de este incremento exponencial de los gases causantes del calentamiento global. De hecho, ciudades como Barcelona o Madrid, entre muchas otras, están imponiendo restricciones al tráfico para mitigar esta situación. Sin embargo, la humanidad aún está a tiempo de invertir esta tendencia negativa y solucionar el problema medioambiental para las generaciones futuras. El objetivo principal de la presente Tesis se centra en el estudio, implementación y análisis del concepto de encendido por precámara pasiva para su aplicación en la próxima generación de vehículos automóviles. Más específicamente, esta investigación aborda los fenómenos físicos que intervienen en el proceso de combustión cuando se utiliza el sistema de encendido por precámara en un motor de encendido provocado. A continuación, se aplican algunas estrategias para mejorar el rendimiento térmico que se obtiene operando con este concepto. Finalmente, a partir del conocimiento generado, se presentan unas directrices básicas para el prediseño de este tipo de precámaras. La primera aproximación al concepto consiste en su implementación directa en el motor, obteniendo resultados experimentales en tres condiciones de funcionamiento diferentes en términos de carga y régimen de giro del motor. Además, también se evalúan diferentes geometrías de precámara. Aunque su implementación directa es relativamente sencilla mediante la sustitución de la bujía, la comprensión de ciertos fenómenos relevantes relacionados con la combustión, como el intercambio de gases o la penetración de los chorros, es extremadamente difícil sin el apoyo de herramientas computacionales. Esta es la principal razón que justifica el uso de herramientas numéricas 1D en la presente Tesis, ya que con un modelado adecuado basado en datos experimentales, se puede obtener información relevante en aquellas situaciones en las que no es factible generarla experimentalmente. Estas herramientas 1D tienen las ventajas de su bajo coste computacional y su capacidad de proporcionar resultados en poco tiempo. En cuanto al rendimiento térmico, se adoptan dos estrategias diferentes, como el aumento de lambda o el aumento de la tasa de recirculación de los gases de escape, para incrementar aún más las ventajas del sistema de encendido por precámara pasiva. Sin embargo, se alcanzan los límites físicos de aplicación de ambas estrategias y se proponen una serie de posibilidades para ampliar estos límites y aumentar el rendimiento térmico. Finalmente, a partir de los resultados experimentales y numéricos, se sugieren algunas pautas para diseñar una precámara que aproveche las ventajas observadas, aumentando el rendimiento térmico en comparación con los conceptos de encendido por bujía convencional y por precámara pasiva actuales. / [CA] L'augment global de les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle des de l'inici de la Revolució Industrial s'ha convertit en un greu perill per a la vida humana. A més de la generació d'energia i la indústria, el transport, amb l'augment del nombre total de vehicles en les últimes dècades, és un dels principals responsables d'aquest increment exponencial dels gasos causants de l'escalfament global. De fet, ciutats com Barcelona o Madrid, entre moltes altres, estan imposant restriccions al trànsit per a mitigar aquesta situació. No obstant això, la humanitat encara és a temps d'invertir aquesta tendència negativa i solucionar el problema mediambiental per a les generacions futures. L'objectiu principal de la present Tesi se centra en l'estudi, implementació i anàlisi del concepte d'encesa per precàmera passiva per a la seua aplicació en la pròxima generació de vehicles automòbils. Més específicament, aquesta investigació aborda els fenòmens físics que intervenen en el procés de combustió quan s'utilitza el sistema d'encesa per precàmera en un motor d'encesa provocada. A continuació, s'apliquen algunes estratègies per a millorar el rendiment tèrmic que s'obté operant amb aquest concepte. Finalment, a partir del coneixement generat, es presenten unes directrius bàsiques per al predisseny d'aquesta mena de precàmeres. La primera aproximació al concepte consisteix en la seua implementació directa en el motor, obtenint resultats experimentals en tres condicions de funcionament diferents en termes de càrrega i règim de gir del motor. A més, també s'avaluen diferents geometries de precàmera. Encara que la seua implementació directa és relativament senzilla mitjançant la substitució de la bugia, la comprensió d'uns certs fenòmens rellevants relacionats amb la combustió, com l'intercanvi de gasos o la penetració dels dolls, és extremadament difícil sense el suport d'eines computacionals. Aquesta és la principal raó que justifica l'ús d'eines numèriques 1D en la present Tesi, ja que amb un modelatge adequat basat en dades experimentals es pot obtindre informació rellevant en aquelles situacions en les quals no és factible generar-la experimentalment. Aquestes eines 1D tenen com a principal avantatge el seu baix cost computacional i la seua capacitat de proporcionar resultats en poc temps. Quant al rendiment tèrmic, s'adopten dues estratègies diferents, com l'augment de lambda o l'augment de la taxa de recirculació dels gasos d'escapament, per a incrementar encara més els avantatges del sistema d'encesa per precàmera passiva. No obstant això, s'aconsegueixen els límits físics d'aplicació de totes dues estratègies i es proposen una sèrie de possibilitats per a ampliar aquests límits i augmentar el rendiment tèrmic. Finalment, a partir dels resultats experimentals i numèrics, se suggereixen algunes pautes per a dissenyar una precàmera que aprofite els avantatges observats, augmentant el rendiment tèrmic en comparació amb els conceptes d'encesa per bugia convencional i per precàmera passiva actuals. / [EN] The global greenhouse gas emissions increase since the start of the Industrial Revolution has become a serious hazard to human life. In addition to power generation and industry, transportation, with the rise in the total vehicle number in the last decades, is one of the main contributors to this exponential increase of global warming-causing gases. In fact, cities such as Barcelona or Madrid, among many others, are imposing traffic restrictions to mitigate this situation. However, mankind is still on time to reverse this negative tendency and fix the environmental issue for the upcoming generations. The main goal of the present Thesis focuses on the study, implementation and analysis of the passive pre-chamber ignition concept in a near-future light-duty passenger car application. To be more specific, the investigation addresses the physical phenomena involving the combustion process when pre-chamber ignition system is used in a spark-ignition engine. Then, some strategies to improve thermal efficiency while employing this concept are applied. Finally, with all the knowledge gathered, basic guidelines for a pre-chamber pre-design are presented. The first approach to the concept consists of its direct implementation in the engine, obtaining experimental results in three different operating conditions in terms of engine load and speed. Furthermore, different prechamber geometries are also evaluated. Although its direct implementation is relatively straightforward by exchanging the spark plug, understanding some of the relevant phenomena related to the combustion process, such as gas exchange or jet-tip penetration, is extremely difficult without the support of computational tools. This is the main reason supporting the use of 1D numerical tools in the present Thesis, since with proper modeling based on experimental data, further knowledge can be obtained in those situations where experimental evaluations are not feasible. These 1D tools have the benefits of their low computational cost and their ability to provide reasonably good results in a short period of time. In terms of thermal efficiency, two different strategies, such as the increase of lambda or the increase of the exhaust gas re-circulation rate, are adopted to extend further the benefits of the passive pre-chamber ignition system. However, the physical application limits of both strategies are reached, and a series of possibilities are proposed to expand these limits and increase thermal efficiency. Finally, with all the experimental and numerical results, some guidelines are suggested to design a pre-chamber that takes advantage of the benefits, increasing thermal efficiency compared with the conventional spark ignition and the current passive pre-chamber concepts. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through contract FPI-S2-19-21993 of the Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Universitat Politècnica de València. Parts of the work presented in this thesis have been supported by different collaborations with the research partner Sandia National Laboratories LLC, 7011 East Ave, Livermore, California, US. / Martínez Hernándiz, PJ. (2023). Implementation and Analysis of the Pre-Chamber Ignition Concept in a SI Engine for Passenger Car Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202063

[ES] Debido a las regulaciones en materia de emisiones y CO2 la industria automotriz a desarrollado diferentes tecnologías innovadoras. Estas tecnologías incluyen combustibles alternativos y nuevos modos de combustión, entre otros. De aquí surge la necesidad del desarrollo de nuevos métodos para el control de la combustión en estas condiciones mencionadas. Por este motivo, en este trabajo se han desarrollado diferentes modelos e indicadores orientados al diagnóstico y control de la combustión tanto en condiciones normales como anormales. Para los casos de combustión normal, se ha desarrollado un modelo de combustión, cuyo objetivo es estimar la media de la evolución de la fracción de la masa quemada y la presión dentro del cilindro. Se implementó un observador, basado en la señal de knock, con la finalidad de mejorar la estimación en condiciones transitorias y poder aplicar así el modelo a diferentes tipos de combustibles. También se presenta un modelo de variabilidad cíclica, en el cual, a partir del modelo de combustión, se propaga una distribución en dos de los parámetros de dicho modelo. Ambos modelos han sido aplicados para un motor de encendido provocado y un motor de combustión de encendido por chorro turbulento. En los casos de combustión anormal, se ha incluido un análisis de la resonancia dentro de la cámara de combustión, en donde también se desarrollaron dos modelos capaces de estimar la evolución de la resonancia. Estos modelos, tanto para condiciones normales como anormales, se utilizaron para el diagnóstico de la combustión. Por una parte, para la detección de knock, en donde tres estrategias de detección de knock fueron desarrolladas: dos basadas en el sensor de presión en cámara y una en el sensor de knock. Por otra parte, se realizó una aplicación de un modelo de resonancia para la mejora de la estimación de la masa atrapada a partir de la resonancia. Finalmente, para mostrar el potencial de los modelos de diagnóstico, dos aplicaciones a control se desarrollaron: una para el control de knock a través de la actuación de la chispa, y otra para el control de gases residuales, a través de la actuación de la distribución variable, realizando paralelamente una optimización de la combustión a través de la actuación de la chispa. / [CA] Impulsada per les regulacions en matèria d'emissions i CO2 la indústria automotriu a desenvolupat diferents tecnologies inovadore. Aquestes tecnologies inclouen combustibles alternatius i nous modes de combustió, entre altres. D'ací sorgix la necessitat posar en pràctica nous mètodes per al control de la combustió. En aquest context, el present trevall proposa diferents models i indicadors orientats al diagnòstic i control de la combustió tant en condicions normals com anormals. Per als casos de combustió normal, es proposa un model de combustió, l'objectiu del qual és estimar la mitjana de l'evolució de la fracció de la massa cremada i la pressió dins del cilindre. Es va implementar un observador, basat en la senyal de knock, amb la finalitat de millorar l'estimació en condicions transitòries i poder aplicar així el model a diferents tipus de combustibles. També es presenta un model de variabilitat cíclica, en el qual, a partir del model de combustió, es propaga una distribució en dos dels parametres del dit model. Ambdós models han sigut aplicats a un motor d'encesa provocada i un motor de combustió d'encesa per doll turbulent. Als casos de combustió anormal, s'ha inclos un anàlisi de la ressonància dins de la cambra de combustió, on també es van desenvolupar dos models capaços d'estimar l'evolució de la ressonància. Aquests models, tant per a condicions normals com anormals, s'utilitzen per al diagnòstic de la combustió. Per una part, per a la detecció de knock, on tres estratègies de detecció de knock s'han desenvolupat: dues basades en el sensor de pressió a la cambra de combustió i una altra basada en el sensor de knock. Per altra part, es va realitzar una aplicació d'un model de ressonància per a la millora de l'estimació de la massa atrapada a partir de la ressonància. Finalment, per a mostrar el potencial dels models de diagnòstic, dos aplicacions de control es van desenvolupar: una per al control de knock a través de l'actuació de l'espurna, i una altra per al control de gasos residuals, a través de l'actuació de la distribució variable, realitzant paral·lelament una optimització de la combustió a través de l'actuació de l'espurna. / [EN] The need to satisfy emissions and CO2 regulations is pushing the automotive industry to develop different innovative technologies. These technologies include alternative fuels and new modes of combustion, among others. Therefore, the need for the development of new methods for combustion control in these mentioned conditions arises. For this reason, in this work different models and indicators have been developed aimed at the diagnosis and control of combustion in both normal and abnormal conditions. For normal combustion cases, a combustion model has been developed, the objective of this model is to estimate the mean of evolution of the mass fraction burned and the in-cylinder pressure. An observer had been implemented, based on knock sensor signal, in order to improve the estimation in transient conditions and also to be able to make use of the model with different fuels. A cyclic variability model is also presented, where from the combustion model, a probability distribution is propagated over two of the parameters of such model. Both models had been applied for a spark ignition engine and a turbulent jet ignition combustion engine. For the abnormal combustion cases, an analysis of the resonance within the combustion chamber had been included, where two models capable of estimating the evolution of the resonance were also developed. These models, for both normal and abnormal conditions, were used for the diagnosis of combustion: on the one hand, for knock recognition, where three knock detection strategies were developed: two based on the in-cylinder pressure sensor and one on the knock sensor. On the other hand, an application of a resonance model was carried out in order to improve the estimation of the trapped mass from the resonance excitation. Finally, to show the potential of such models and applications, two control strategies were developed: one for the control of knock through the actuation of the spark advance, and a second for the control of residual gases, through the actuation of the variable valve timing, while optimizing the combustion through the actuation of the spark advance. / El trabajo desarrollado en esta tesis ha sido posible gracias a la financiación de la Generalitat Valenciana y el fondo social europeo a través de la beca 132 GRISO- LIAP/2018/132 y BEFPI/2021/042. / Jiménez, IA. (2022). Development of Combustion Indicators for Control of Multi-Fuel Engines Based on New Combustion Concepts [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181561

[ES] La formación de hollín en los motores de inyección directa de gasolina se rige por complejas interacciones entre procesos físicos, que varían en función del modo de funcionamiento del motor. Con la aplicación de normativas cada vez más estrictas, junto con ensayos de homologación más rigurosos, el reto de cumplir los límites de emisión de partículas se ha vuelto excepcionalmente exigente. En consecuencia, los fabricantes han recurrido a métodos de post-tratamiento de partículas a la salida del motor, como los filtros de partículas de gasolina, aunque a costa del rendimiento del motor y del consumo de combustible. Además, existe una creciente preocupación por la calidad del aire ambiente debido a las emisiones de partículas de los vehículos, con estudios que indican potenciales riesgos cancerígenos para la salud humana. Las herramientas de modelización ofrecen la ventaja de disminuir la necesidad de costosos ensayos de calibración experimental destinados a encontrar la estrategia óptima para mitigar las emisiones de partículas dentro de unos límites aceptables. En esta Tesis, se desarrolla un marco de modelización exhaustivo que aborda tres fuentes principales de formación de hollín: la mezcla inadecuada que da lugar a zonas ricas, las películas de combustible en las puntas de los inyectores y las películas de combustible en las paredes de la cámara de combustión debido al impacto del chorro. Al incorporar submodelos físicos para abordar estas vías de formación de hollín, se consigue una descripción completa de la distribución del tamaño de las partículas, teniendo en cuenta que las distintas fuentes contribuyen de forma diferente a las emisiones totales de partículas. El número, la masa y el tamaño de las partículas se determinan mediante la utilización de un mecanismo de reacción detallado para resolver las reacciones químicas que se producen en las regiones ricas definidas por el modelo multizona que se integra con un solucionador estocástico de partículas. El enfoque se complementó con simulaciones CFD tridimensional no reactivo para validar las formulaciones de los diversos submodelos. A continuación, se utilizaron ensayos experimentales realizados en un banco de pruebas de motores para evaluar las predicciones del modelo y también sirvieron como herramienta de validación para determinados submodelos en los casos en los que surgían ambigüedades en las simulaciones CFD. Además, se utilizaron ensayos ópticos realizados en un motor distinto del considerado en este estudio para obtener más información sobre los fenómenos en el cilindro que conducen a la formación de hollín. La herramienta ha demostrado su capacidad para predecir con exactitud la distribución del tamaño de las partículas en distintas condiciones de funcionamiento, captando eficazmente los cambios en la configuración de los parámetros del motor y las condiciones termodinámicas. Se identificó que las principales fuentes que contribuían a las emisiones de partículas procedían de la disminución de la calidad de la mezcla, especialmente evidente en cargas más elevadas debido al enriquecimiento del combustible, y de la humectación de la punta del inyector, que se manifestaba en todas las condiciones. Por consiguiente, el modelo de mezcla, basado en los parámetros de mezcla pertinentes, resultó eficaz para generar distribuciones de dosados, mientras que el modelo de evaporación de la película del inyector calculó la masa de la película de combustible en la punta de forma satisfactoria. Al integrar estos aspectos con un enfoque de postprocesamiento exhaustivo, que incorpora la eficiencia del recuento de partículas y consideraciones sobre el volumen de escape, se logró un alto grado de concordancia entre las predicciones numéricas y los datos de partículas medidos. Como resultado, la herramienta puede aprovecharse para simular las emisiones de partículas en condiciones transitorias de conducción, facilitando así el desarrollo de motores en el futuro próximo. / [CA] La formació de sutge en els motors d'injecció directa de gasolina es regeix per complexes interaccions entre processos físics, que varien en funció de la manera de funcionament del motor. Amb l'aplicació de reglaments cada vegada més estrictes i normes d'assaig més rigoroses, el repte de complir els límits d'emissió de partícules s'ha tornat excepcionalment exigent. En conseqüència, els fabricants han recorregut a mètodes de tractament de partícules posteriors a l'eixida del motor, com els filtres de partícules de gasolina, encara que a costa del rendiment del motor i del consum de combustible. A més, existeix una creixent preocupació per la qualitat de l'aire ambient degut a les emissions de partícules dels vehicles, amb estudis que indiquen riscos cancerígens potencials per a la salut humana. Les eines de modelització ofereixen l'avantatge de disminuir la necessitat de costosos assajos de calibratge experimental destinats a trobar l'estratègia òptima per a mitigar les emissions de partícules dins d'uns límits acceptables. En aquesta Tesi, es desenvolupa un marc de modelització exhaustiu que aborda tres fonts principals de formació de sutge: la mescla inadequada que dona lloc a zones riques, les pel·lícules de combustible en les puntes dels injectors i les pel·lícules de combustible en les parets de la cambra de combustió a causa de l'impacte del doll. En incorporar submodels físics per a abordar aquestes vies de formació de sutge, s'aconsegueix una descripció completa de la distribució de la grandària de les partícules, tenint en compte que les diferents fonts contribueixen de manera diferent a les emissions totals de partícules. El número, la massa i la grandària de les partícules es determinen mitjançant la utilització d'un mecanisme de reacció detallat per a resoldre les reaccions químiques que es produeixen a les regions riques definides pel model multizona que s'integra amb un solucionador estocàstic de partícules. L'enfocament es va complementar amb simulacions CFD tridimensional no reactiu per a validar les formulacions dels diversos submodels associats a les diferents vies. A continuació, es van utilitzar assajos experimentals realitzats en un banc de proves de motors per a avaluar les prediccions del model i també van servir com a eina de validació per a determinats submodels en els casos en els quals sorgien ambigüitats en les simulacions CFD. A més, es van utilitzar assajos òptics realitzats en un motor diferent del considerat en aquest estudi per a obtenir més informació sobre els fenòmens en el cilindre que condueixen a la formació de sutge. L'eina de modelització ha demostrat la seua capacitat per a predir amb exactitud la distribució de la grandària de les partícules en diferents condicions de funcionament, captant eficaçment els canvis en la configuració dels paràmetres del motor i les condicions termodinàmiques. Es va identificar que les principals fonts que contribuïen a les emissions de partícules procedien de la disminució de la qualitat de la mescla, especialment evident en càrregues més elevades a causa de l'enriquiment del combustible, i de la humectació de la punta de l'injector, que es manifestava en totes les condicions. Per consegüent, el model de mescla, basat en els paràmetres de mescla pertinents, va resultar eficaç per a generar distribucions de dosatges, mentre que el model d'evaporació de la pel·lícula de l'injector va calcular la massa de la pel·lícula de combustible en la punta de manera satisfactòria. En integrar aquests aspectes amb un enfocament de postprocessament exhaustiu, que incorpora l'eficiència del recompte de partícules i consideracions sobre el volum de fuita, es va aconseguir un alt grau de concordança entre les prediccions numèriques i les dades de partícules mesurades. Com a resultat, l'eina pot aprofitar-se per a simular les emissions de partícules en condicions transitòries de conducció, facilitant així el desenvolupament de motors en el futur pròxim. / [EN] Soot formation in gasoline direct injection engines is governed by complex interactions among physical processes, which vary depending on the engine operating mode. With the implementation of increasingly stringent regulations and more rigorous testing standards, the challenge of meeting particle emission limits has become exceptionally demanding. Consequently, manufacturers have resorted to post-engine outlet particle treatment methods, such as gasoline particulate filters, albeit at the expense of engine performance and fuel consumption. Moreover, there is a growing concern regarding environmental air quality due to vehicle particle emissions, with studies indicating potential cancerous risks to human health. Modeling tools offer the benefit of diminishing the need for expensive experimental calibration campaigns aimed at finding the optimal strategy for mitigating particle emissions within acceptable limits. In this Thesis, a comprehensive modeling framework is developed that addresses three primary sources of soot formation: inadequate mixing resulting in rich pockets, fuel films on injector tips, and fuel films on combustion chamber walls due to spray impingement. By incorporating physical sub-models to address these pathways of soot formation, a comprehensive depiction of the particle size distribution becomes achievable, considering that the various sources contribute differently to overall particle emissions. Particle number, mass, and size are determined through the utilization of a detailed reaction mechanism to solve the chemical reactions occurring in rich regions defined by the multi-zone model that is integrated with a stochastic particle solver. The approach was complemented by non-reactive 3D CFD simulations to validate the formulations of the various sub-models associated with different pathways. Experimental measurements conducted on an engine test bench were then utilized to evaluate the model predictions and also served as a validation tool for certain sub-models in cases where ambiguity arose in the 3D CFD simulations. Furthermore, optical engine experiments conducted on a different engine from the one considered in this study were employed to gain further insights into the in-cylinder phenomena driving soot formation. The modeling tool has demonstrated its capability to accurately predict the particle size distribution across various operating conditions, effectively capturing changes in engine parameter settings and thermodynamic conditions. The primary sources contributing to particle emissions stemmed from diminished mixture quality, particularly evident at higher loads due to fuel enrichment, and injector tip wetting, which manifested across all conditions. Therefore, the mixing model, based on pertinent mixing parameters proved effective in generating equivalence ratio distributions, while the injector film evaporation model computed fuel film mass on the injector tip in a commendable way. By integrating these aspects with a thorough post-processing approach, incorporating particle counting efficiency and exhaust volume considerations, a high degree of agreement was achieved between numerical predictions and measured particle data. As a result, the tool can be leveraged to simulate particle emissions under transient driving conditions, thereby facilitating engine development in the foreseeable future. / Abboud, R. (2024). A Comprehensive Modeling Toolchain for Particle Emissions in GDI Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207344